Piroelectricidad: descubrimiento, base física y aplicaciones

Historia de los descubrimientos

Cuenta la leyenda que los primeros registros de piroelectricidad fueron realizados por el antiguo filósofo y botánico griego Teofrasto en el 314 a. Según estos registros, Teofrasto notó una vez que los cristales del mineral turmalina, cuando se calentaban, comenzaban a atraer pedazos de ceniza y paja. Mucho más tarde, en 1707, el grabador alemán Johann Schmidt redescubrió el fenómeno de la piroelectricidad.

Existe otra versión, según la cual el descubrimiento de la piroelectricidad se atribuye al famoso filósofo y viajero griego antiguo Tales de Mileto, quien, según esta versión, hizo el descubrimiento a principios del siglo VI a. N. E. Viajando a los países del este, Tales tomó notas sobre minerales y astronomía.

Al investigar la capacidad del ámbar frotado para atraer pajitas y hacia abajo, pudo interpretar científicamente el fenómeno de la electrificación por fricción. Platón describiría más tarde esta historia en el diálogo de Timeo.Después de Platón, ya en el siglo X, el filósofo persa Al-Biruni en su obra "Mineralogía" describió propiedades similares de los cristales de granate.

La conexión entre la piroelectricidad de los cristales y otros fenómenos eléctricos similares sería probada y desarrollada en 1757, cuando Franz Epinus y Johann Wilke comenzaron a estudiar la polarización de ciertos materiales al frotarse entre sí.

Después de 127 años, el físico alemán August Kundt mostrará un vívido experimento en el que calentará un cristal de turmalina y lo verterá a través de un tamiz con una mezcla de polvos de plomo rojo y azufre. El azufre se cargará positivamente y el plomo rojo se cargará negativamente, lo que dará como resultado que el plomo rojo anaranjado coloree un lado del cristal de turmalina y el otro lado se cubra con un amarillo grisáceo brillante. August Kund luego enfrió la turmalina, la "polaridad" del cristal cambió y los colores cambiaron de lugar. El público estaba encantado.

La esencia del fenómeno es que cuando la temperatura del cristal de turmalina cambia solo 1 grado, aparece en el cristal un campo eléctrico de aproximadamente 400 voltios por centímetro. Tenga en cuenta que la turmalina, como todos los piroeléctricos, es a la vez piezoeléctrico (por cierto, no todos los piezoeléctricos son piroeléctricos).

Fundamentos físicos

Físicamente, el fenómeno de la piroelectricidad se define como la aparición de un campo eléctrico en los cristales debido a un cambio en su temperatura. El cambio de temperatura puede ser causado por calentamiento directo, fricción o radiación. Estos cristales incluyen dieléctricos con polarización espontánea (espontánea) en ausencia de influencias externas.

La polarización espontánea generalmente no se nota porque el campo eléctrico que crea se compensa con el campo eléctrico de las cargas libres que el aire circundante y la mayor parte del cristal aplican al cristal. Cuando cambia la temperatura del cristal, también cambia la magnitud de su polarización espontánea, lo que da lugar a la aparición de un campo eléctrico, que se observa antes de que se produzca la compensación con cargas libres.

Un cambio en la polarización espontánea de los piroeléctricos puede iniciarse no solo por un cambio en su temperatura, sino también por una deformación mecánica. Es por eso que todos los piroeléctricos también son piezoeléctricos, pero no todos los piezoeléctricos son piroeléctricos.La polarización espontánea, es decir, el desajuste de los centros de gravedad de las cargas negativas y positivas dentro del cristal, se explica por la baja simetría natural del cristal.

Aplicaciones de la piroelectricidad

Hoy en día, los piroeléctricos se utilizan como dispositivos de detección para diversos fines, como parte de receptores y detectores de radiación, termómetros, etc. Todos estos dispositivos aprovechan una propiedad clave de la piroelectricidad: cualquier tipo de radiación que actúe sobre la muestra provoca un cambio en la temperatura de la muestra y un cambio correspondiente en su polarización. Si en este caso la superficie de la muestra está cubierta con electrodos conductores y estos electrodos están conectados por cables al circuito de medición, entonces fluirá una corriente eléctrica a través de este circuito.

Y si hay un flujo de cualquier tipo de radiación a la entrada de un convertidor piroeléctrico, que provoque fluctuaciones en la temperatura del piroeléctrico (la periodicidad se obtiene, por ejemplo, por modulación artificial de la intensidad de la radiación), entonces se genera corriente eléctrica. obtenido en la salida, que también cambia con cierta frecuencia.

Las ventajas de los detectores de radiación piroeléctrica incluyen: una gama infinitamente amplia de frecuencias de radiación detectada, alta sensibilidad, alta velocidad, estabilidad térmica. El uso de receptores piroeléctricos en la región infrarroja es particularmente prometedor.

De hecho, resuelven el problema de detectar flujos de energía térmica de baja potencia, medir la potencia y la forma de pulsos láser cortos y medir la temperatura con contacto y sin contacto de alta sensibilidad (con precisión de microgrados).

Hoy en día se discute seriamente la posibilidad de utilizar la piroelectricidad para convertir directamente la energía térmica en energía eléctrica: un flujo alterno de energía radiante genera una corriente alterna en el circuito externo de un elemento piroeléctrico. Y aunque la eficiencia de un dispositivo de este tipo es inferior a la de los métodos de conversión de energía existentes, todavía para algunas aplicaciones especiales este método de conversión es bastante aceptable.

La posibilidad ya utilizada de utilizar el efecto piroeléctrico para visualizar la distribución espacial de la radiación en sistemas de imágenes infrarrojas (visión nocturna, etc.) es particularmente prometedora. Creó vidicons piroeléctricos: tubos de televisión que transmiten calor con un objetivo piroeléctrico.

La imagen de un objeto caliente se proyecta sobre un objetivo, construyendo sobre él el correspondiente relieve de la carga, que es leído por un haz de electrones de barrido. El voltaje eléctrico creado por la corriente del haz de electrones controla el brillo del haz que pinta la imagen del objeto en la pantalla.